DK156151B

DK156151B - Svingnings- og accelerationsmaaler

Info

Publication number: DK156151B
Application number: DK382478AA
Authority: DK
Inventors: Peter Wolfer; Hanspeter Daehler; Werner Paul Guth; Reto Roman Calderara
Original assignee: Kistler Instrumente Ag
Priority date: 1977-10-25
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1989-06-26
Also published as: DE2832762A1; DE2832762C2; DK382478A; DK156151C; ATA703378A; GB2006962A; CH619541A5; US4326143A; GB2006962B; AT383425B

Description

DK 156151 B

Opfindelsen angâr en svingnings- og accelerationsmâ-5 1er omfattende en masse-sensorindretning og en elek-tronisk forstærker, som begge er anbragt i et hus af elektrlsk isolerende mater!ale, hvilket hus pâ dets Inderside er forsynet med en elektrisk ledende, flad inderskærm og har et befæstigelseselement til fast-10 holdelse pà en genstand og et fra huset udgâende ka-bel med en afskærmning, der er forbundet med inder-skærmen, hvorhos masse-sensorindretningen fastholdes i huset af et fortrinsvist rundt hoved, der stâr i e-lektrisk ledende forbindelse med inderskærmen.

15

En svingnings- og accelerationsmâler af den angivne art kendes fra FR patentskrift nr. 2.116.922.

Denne kendte svingnings- og accelerationsmâler omfat-20 ter en som hulcylinder udformet masse-sensorindret-ning, idet et ringformet piezoelektrisk element med en endeflade er fastgjort til en grundplade, fra hvis modstâende side en med grundpladen integreret skrue rager ud. Pâ den bort fra grundpladen vendende ende 25 af det piezoelektriske element er der anbragt en kon-taktskive og en hertil sluttet seismisk masse. Inden i det piezoelektriske element er lejret et elektro-nisk forstærkerelement, sâsom en felteffekt- transistor, der med dens Gate-elektrode er forbundet 30 med kontaktskiven og med dens to 0vrige elektroder med enderne af et kabel, som er f0rt gennem en dels radial, dels aksial boring i grundpladen. Kablets elektriske afskærmning er derved elektrisk ledende forbundet med grundpladen. Masse-sensorindretningen 2

DK 156151 B

er ved gentagne neddypninger i formstof omhyllet af dette, sâ omhylningen danner et hus, hvis yderste lag samtidigt omslutter dels grundpladen og dels den del af kablet, der grænser op til grundpladen. Et af de 5 lag, der udg0r huset, bestâr af et elektrisk ledende kunststof og danner en indre afskærmning, som er le-dende forbundet med grundpladen og dermed ogsâ med kablets afskærmning.

10 Ved denne kendte svingnings- og accelerationsmâler ligger sâledes en side af det piezoelektriske element an mod grundpladens masse og dermed ogsâ mod massen af det emne, der skal unders0ges. Da massen af det unders0gelsen underkastede emne i reglen besidder et 15 ikke-kontrollerbart potentiale, kan der derfor opstâ betydelige fejlsignaler, som pâ grund af den enkelt-polede udformning af den kendte svingnings- og accelerationsmâler kan indvirke pâ mâlingerne og underti-den kan g0re mâlingerne ubrugelige.

20

Fra DE patentskrift nr. 1.195.512 kendes endvidere en yderligere svingnings- og accelerationsmâler med en i hovedsagen torusformet opbygning. Den centrale boring i denne kendte sensor udg0res af en elektrisk isole-25 rende b0sning. Ved hjælp af en gennem b0sningen an-bragt skrue kan svingnings- og accelerationsmâleren skrues fast til et emne, der skal unders0ges. Den indre opbygning af denne kendte mâler bestâr af fle-re, koncentriske og torusformede elementer, hvorpâ 30 der udvendigt er presset en ligeledes torusformet seismisk masse. Pâ siden af denne kendte svingnings-og accelerationsmâler er tilsluttet et forbindelses-kabel, hvis inderleder er forbundet med den seismiske masse.

3

DK 156151 B

Denne kendte sensor har dog den mangel, at den gennem b0sningen gribende skrue, til trods for dans elek-triske isolering, sammen med de métalliske grundele-5 menter i mâleren danner en kondensator med en betrag-telig kapacitet, sâ ikke-stationære elektriske for-styrrelser, der kan hidr0re fra emnet, kan overf0res til mâleelementerne i svingnings- og accelerationsmâ-leren. Desuden har denne kendte mâler i elektrisk 10 henseende den ulempe, at det er n0dvendigt med en ekstern ekstra forstærker, hvorfor forstyrrelser, der hidr0rer fra eller er opstâet umiddelbart ved mâleren, overlejrer de meget svage mâlesignaler. I meka-nisk henseende har den kendte mâler endvidere den u-15 lempe, at den er opbygget relativt massivt, sâ den kun kan anvendes i forbindelse med emner af en bety-delig masse, hvortil kommer, at det er pâkrævet at fremstille delene med meget smâ tolerancer som f0lge af antallet af de torusformede elementer, der skal 20 sammenpresses.

Endelig er der fra DE offentligg0relsesskrift nr. 2.700.342 kendt en svingnings- og accelerationsmâler, der omfatter en central fastg0relsesskrue, der er ud-25 formet med en kegleflade, hvorpâ er presset en sensor med keglestubform, der pâ sin radiait ydre overflade er omgivet af en b0sning, som er forsynet med en til nævnte overflade svarende boring. Denne b0sning er fastspændt til fastg0relsesskruen ved hjælp af en med 30 denne koaksial skrue.

Den foreliggende opfindelse sigter mod at angive en videreudvikling af en svingnings- og accelerationsmâler af den angivne art, ved hvilken videreudvikling 4

DK 156151 B

indflydelsen af eksterne forstyrrelser, især elek-triske forstyrrelser stammende fra emnet, der skal unders0ges, pè det nærmeste er fuldstændigt for-hindret, uden at dette er for blinde t med forh0jelse af 5 de fysiske mâl, for0gelse af vægten eller komplice-ring af fabrikationen.

Dette formâl opnâs med en svingnings- og accelera-tionsmâler af den nævnte art, hvilken mâler er sær-10 egen ved, at hovedet er forankret til Inderslden af huset, at de af masse-sensorIndretningen frembringe-lige elektriske signaler kan f0res via forstærkeren over to fra inderskærmen adskilte ledninger og at be-fæstlgelseselementet er anbragt elektrisk isoleret 15 fra hovedet og Inderskærmen pâ husets yderside.

Ved disse kendetegn er det muliggjort at foretage màlinger med sensorelementet, hvor den opfindelses-mæssige svingnings- og accelerationsmâler er særdeles 20 uf01som over for forstyrrende potentialer, som især kan indtræde ved j ordforbindelsessl0j fer og gennem ikke-stationære indflydelser fra emnet. Disse fordele opnâs gennem det fuldstændigt aflukkede Faraday-bur, hvori samtlige interne befæstigelseselementer befin-25 der sig, medens de eksterne befæstigelseselementer, der tjener til fastholdelse mod emnet, der skal un-ders0ges, omhyggeligt er anbragt uden for det nævnte Faraday-bur, hvorhos en kapacitiv indflydelse er ude-lukket ved afledningen af forstyrrende signaler til 30 afskærmningen pâ kablet. Særligt fordelagtigt er i-sær, at de fra màleelementerne, især de fra de piezo-elektriske elementer frembragte elektriske signaler, for eksempel de elektriske ladninger, bliver overf0rt til den i mâleren anbragte forstærker gennem to lede- 5

DK 156151 B

re, sâ forstyrrelser umuligg0res i dette omrâde af màlingerne. Mâlesignalerne forlader sâledes f0rst Faraday-buret via kablet, nèr en tilfredsstillende forstærkning er opnàet, hvorfor senere indtrædende 5 forstyrrelsers indflydelse pâ mâleresultaterne er nedsat med flere st0rrelsesordener.

Yderligere fordele omhandles i underkravene. Af sær-lig betydning er den opfindelsesmæssige anvendelse af 10 en bæreskrue, som er fast forankret i det isolerende hus, hvorved det er muligt dels at opnâ en enkel og pâlidelig montering og fastholdelse af sensorelemen-terne og den seismiske masse og dels at tilvejebringe en pâlidelig fastg0relse af printpladen, der bærer 15 den elektroniske forstærker. Af betydning er slutte-lig ogsâ, at aftætningen og fastholdelsen af husdæk-slet og kablet opnâs pâ en enkel og driftssikker mâ-de.

20 Opfindelsen forklares nærmere under henvisning til tegningen, pâ hvilken fig. 1 viser en udf0relsesform for accelera- tionsmâleren if01ge opfindelsen med et 25 piezoelektrisk forskydningselement i snit, og fig. 2 en anden udf0relsesform for accelera- tionsmâleren med et piezoelektrisk 30 kompressionselement i snit.

I fig. 1 betegner 1 en seismisk masse i form af et r0rstykke af métal, der for eksempel indeholder wolfram, og 2 et piezokeramik-r0rstykke, hvis ydre

. DK 156151 B

6 kappeflade er forbundet med en indre kappeflade pâ den seismiske masse 1 ved hjælp af kendte midler. Til forbindelsen kan man vælge tokomponents01vepoxyklæbe-re, der dels s0rger for en god hæftning, dels pâ 5 grund af ledeevnerne for en god ladningsaftagelse.

Piezokeramikdelen 2 er pâ sin side atter klæbet pâ et som lejeelement udformet keramikr0rstykke 4, for ek-sempel ligeledes med ledende epoxy 5. Klæbeforbin-10 delserne 3 og 5 kan man undgâ og for eksempel erstat-te ved en pâskrumpning eller pâpresning, sâ at sam-menhæftningen af stykkerne 1, 2 og 4 med hinanden a-lene opnâs ved friktion. I sâ fald er dog en forspæn-ding n0dvendig, der kan pâvirke polarisationen af 15 piezokeramikken 2, sâ at dette element 2 vil vise py-roeffekter, som man vil undgâ. Desuden mâ man régné med en ændring af forspændingen pâ grund af tempera-turen, hvad der indirekte ligeledes ville fremkalde en pyroeffekt.

20

Den seismiske masse 1 af for eksempel métal og piezokeramikken 2 har begge lave termiske udvidelseskoef-ficienter. Derfor mâ lejeelementet 4 ligeledes være fremstillet af keramik med en tilsvarende lav termisk 25 udvidelseskoefficient, for at der ikke skal opstâ termiske spændinger mellem de enkelte r0rstykker, hvilke spændinger kunne 10sne klæbeforbindelserne 3 og 5 og give anledning til u0nskede indirekte pyroef-fekter. Lejeelementet 4 danner sammen med de 0vrige 30 dele 1, 2, 3 og 5 en kompakt enhed, der kan skydes 10st ind pâ en paddehatformet bæreskrue 6. Denne bæ-reskrue 6 har et paddehathoved 7, der ved hjælp af passende formgivning er indspr0jtet i et kunststofhus 8 og fast forankret deri. Til huset 8 h0rer et dæksel 7

DK 156151 B

9, i hvilket et kabel 10 er fuldstændig tæt indspr0j-tet. Dækslet 9 og huset 8 er forbundet med en skrue 11, der er indskruet i en afstandsm0trik 12, og er aftætnet med en tætning 13. Afstandsm0trikken 12 er 5 skruet sâledes pâ en gevinddel 14 pà bæreskruen 6, at en printplade 15 samtidig bliver spændt mod en an-slagsflade 16. Den seismiske masse 1 frembringer i piezoelementet 2 forskydningsspændinger i cylindriske snitplaner vinkelret pâ radius, hvilke spændinger 10 frembringer piezoelektriske ladninger i elektroderne 3 og 5. +ladningerne pâ elektroden 5 bliver afledet til den seismiske masse 1 og derfra over en trâdfor-bindelse 17 f0rt til en elektronisk kobling pâ printpladen 15. -ladningerne fra inderelektroden 3 15 str0mmer over en cylinderoverflade pâ keramikr0ret 4 til ën metalliseret endeflade 18, der er afsluttet ved en isoleringskegle 19. Derfra gâr -ladningerne ved hjælp af kendte midler til koblingen pâ printpladen 15. Pâ denne printplade 15 findes de elektriske 20 komponenter i en forforstærker, for eksempel en Junctionsfet-transistor 20, en modstand 21, en til-slutningslaske 22, der for eksempel tjener til til-slutning af inderlederen i kablet 10. I huset 8 er der eksempelvis vist to hæftemagnetenheder, bestâende 25 af et bl0dtjernshylster 23, en st0bemasse 24 og en magnetskive 25. Delene 23, 24 og 25 er fremstillet og pr0vet f0r indspr0jtningen i huset 8. Som materiale til magnetskiverne 25 tjener hensigtsmæssigt lege-ringer af jern, nikkel, kobolt og sjældne jordmetal-30 1er, sâ at magneterne trods smâ dimensioner af magnetskiverne 25 giver en tilstrækkelig hæftestyrke. Hensigtsmæssigt indspr0jter man to magneter 30 i huset, sâ at deres hæfteflader med hinanden danner en vinkel pâ 90°. Nâr uligevægtbevægelser af en maskine,

DK 156151 B

8 der skal unders0ges, ligger i et plan, der ligger vinkelret pâ skrueaksen 6, forekommer der ingen accélération 1 akseretnlngen, og en pâ denne mâde anbragt acceleratlonsmâler optager Ikke noget signal.

5 Nâr man derimod pâsætter mâleren med den anden, 90° drej ede magnet, fâr man den fulde accélération i ak-seretningen, sâ at man med to sâdanne magneter altid kan finde en stilling, i hvilken accelerationsmâleren afgiver et signal. Huset 8 og dækslet 9 er udstyret 10 med en indre afskærmning 26, der overdækker hele in-derrummet i huset. Afskærmningen tjener til at for-hindre, at elektriske felter udefra kan pâvirke ikke forstyrrende ladninger i mâlesystemet, navnlig ved forstærkerens indgang. Afskærmningslaget kan være af 15 tokomponents01vepoxyklæbemiddel, der allerede er nævnt. Ogsâ enkomponentledefarver pâ s01v- eller kul-basis er dog egnet. Tokomponents01vepoxymidler egner sig særligt, fordi overgangen fra kabelafskærmningen 27 til afskærmningslaget 26 uden vanskeligheder kan 20 fremstilles elektrisk ledende, hvilket muligg0res med et enkelt klæbested.

Forbindelsen af dækslet 9 og huset 8 mâ ske pâ den mâde, at den indre afskærmning overdækker og danner 25 kontakt mellem de to dele uden mellemrum. Det er dog ogsâ muligt at fremstille afslutningsdækslet 9 af métal, hvorved en ekstra metallisering faider bort. Det er blot af betydning, at huset 8 bestâr af kunststof, da alene denne byggedel er monteret pâ mâleobjektet 30 og dermed indkoblet i mulige forstyrrelsespotentia-ler. Kunststofhuset giver en fuldstændig adskillelse af de h0jf01somme mâledele fra de ydre omgivelser.

Ved den i fig. 2 viste udf0relsesform for mâleren be- 9

DK 156151 B

tegner 51 en pladeformet seismisk masse af métal, der under mekanisk forspænding er presset mod et piezoe-lektrisk element 52, der kan bestâ af en eller flere hulplader. Pladerne er pâ kendt màde anbragt i lag og 5 forsynet med elektroder 53. Pâ en bæreskrue 56 er der pâskudt et isolerende lille r0r 54 af for eksempel teflon, hvilket r0r centrerer aile dele og isolerer dem fra en afskærmning 66. En grundplade 55 bestâr af keramik, der pâ passende steder er forsynet med et 10 ledende lag 58. En signalledning 57 er direkte for-bundet med dette ledende lag og forbinder dette lag med en forstærker pâ en printplade 59. En modpolet ladning bliver over metalmassen 51 direkte ledet til forstærkeren pâ printpladen 59 over gennembrydninger 15 60. Aile 0vrige dele i derme mâler svarer til udf0- relsesformen i fig. 1.

I stedet for pâspr0jtede ledende belægninger inde i kunststofhuset kan der ogsâ anvendes galvanisk pâf0r-20 te, pâdampede eller pâspr0jtede metalbelægninger.

Accelerationsmâleren kan ogsâ uden hæftemagneter, f.eks. ved hjælp af en flange, anbringes i huset eller ved hjælp af montageskruer forbindes fast med 25 denne maskindel, der skal mâles.

I stedet for et piezoelektrisk mâleelement kan der ogsâ være indbygget et piezoresistivt, et pâ DMS in-duktiv eller kapacitiv basis opbygget mâleelement, 30 der er anbragt med samme bæreskruekonstruktion i kunststofhuset.

Claims

1. Svingnings- og accelerationsmâler omfattende en masse-sensorindretning (1, 2; 51, 52, 53) og en 5 elektronisk forstærker (20, 21), som begge er anbragt i et hus (8) af elektrisk isolerende materiale, hvil-ket hus (8) pâ dets inderside er forsynet med en e-lektrlsk ledende, flad inderskærm (26; 66) og har et befæstlgelseselement tll fastholdelse pâ en genstand 10 og et fra huset (8) udgâende kabel (10) med en af-skærmning (27), der er forbundet med inderskærmen (26; 66), hvorhos masse-sensorindretningen (1, 2; 51, 52, 53) fastholdes i huset (8) af et fortrinsvist rundt hoved (7), der stâr i elektrisk ledende forbin-15 delse med inderskærmen (26; 66), kendeteg- n e t ved, at hovedet (7) er forankret tll indersi-den af huset (8), at de af masse-sensorindretningen (1, 2; 51, 52, 53) frembringelige elektriske signaler er f0rt ind via forstærkeren (20, 21) over to fra in-20 derskærmen (26; 66) adskilte ledninger (3, 17; 54, 57. og at befæstigelseselementet er anbragt elektrisk isoleret fra hovedet (7) og inderskærmen (26; 66) pâ husets (8) yderside.

2. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1, kendetegnet ved, at hovedet (7) er en del af en i det bægerformede hus ( 8 ) anbragt padde-hatformet bæreskrue (6; 56), der koaksialt er omgivet af masse-sensorindretningen (1, 2; 51, 52, 53), hvil-30 ken bæreskrues (6; 56) gevinddel (14) ved hjælp af en pâskruelig m0trik (12; 62) i indspændt stand kan fastholde sâvel et husdæksel (9) som en af forstærkeren (20, 21) omfattet printplade (15), som foruden forbindelserne (3, 17; 54, 57) til masse-sensorind- DK 156151 B retningen (2; 52) er udstyret med tilslutning (22) for kablet (10).

3. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 2, 5 kendetegnet ved, at der i huset (8) som befæstigelseselement er indbygget en f0rste heftemag-net (30), hvis akse er anbragt parallelt med eller vinkelret pâ bæreskruens (6; 56) akse.

4. Svingnings-og accelerationsmâler if01ge krav 3, kendetegnet ved, at en anden heftemagnet er anbragt fast i huset (8) i et i forhold til den f0rste heftemagnet igennem 90° drejet plan.

5. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at heftemagneten (30) bestàr af et dækselformet metalhus (23), en ski-veformet permanentmagnet (25) og en ringformet ud-st0bningsmasse (24). 20

6. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1- 5, kendetegnet ved, at masse-sensorindret-ningen (1, 2) bestâr af et piezoelektrisk forskyd- ningselement med en r0rformet masse (1), et r0rformet 25 piezoelement (2) og en r0rformet bærer (4) af elek-trisk isolerende materiale, idet en del af den radiait ydre overflade af bæreren (4) og en del af dens mod printpladen (15) vendende endeflade er udformet til at kunne tjene til overf0ring af signaler ved at 30 være forsynet med en elektrisk ledende belægning.

7. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1-5, kendetegnet ved, at masse-sensorindret-ningen (51, 52, 53) bestâr af et koaksialt om bære- DK 156151 B skruen (56) ânbragt piezoelektrisk kompressionsele-ment af piezoplader (52) og elektroder (53) samt en metalmasse (51) og en rondel (55), hvilke komponenter er centreret ved hjælp af et isoleringsr0rstykke (54) 5 og er sammenspændt med m0trikken (62).

8. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1-5, kendetegnet ved, at masse-sensorindret-ningen bestâr af et koakslalt anbragt, med udvidel- 10 sesmâlestrimler udstyret sensorlegeme.

9. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1- 5, kendetegnet ved, at masse- sensorind-retningen bestâr af et koaksialt anbragt piezoresis- 15 tivt sensorlegeme.

10. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 1- 9, kendetegnet ved, at m0trikken (12, 62) er udformet som en afstandsm0trik med en forud fast- 20 sat længde og er indrettet til at kunne spænde sâvel printpladen (15; 59) mod en ansats (16) i huset (8) som bæreren (4) henholdsvis ronde11en (55) imod det paddehatteformede hoved (7) pâ bæreskruen (6; 56).

11. Svingnings- og accelerationsmâler if01ge krav 2- 10, kendetegnet ved, at husdækslet (9) er af métal eller formstof og er indrettet til at kunne spændes sâvel mod huset (8) med dets som tætningsfla-de (13) udformede kant som mod afstandsm0trikken (12; 30 62).